125 Jahre IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 16/1997, Seite 36 ff.
HEIZUNGSTECHNIK
Planung, Errichtung und Betrieb von Wärmepumpenanlagen
Karl-Heinz Wiegersma
Bei der Planung und Errichtung von Wärmepumpenheizungsanlagen ist mehr als bei konventionellen Heizungsanlagen eine gründliche Vorbereitung und Abstimmung der einzelnen Anlagenkomponenten aufeinander notwendig, um einen störungsfreien Betrieb mit hohen Jahresarbeitszahlen sicherzustellen. Bei der Wahl der Wärmequelle hat sich das Erdreich besonders bewährt. In den letzten 15 Jahren werden zunehmend Erdwärmesonden eingesetzt, die auf engstem Raum auch auf kleinen Grundstücken eingesetzt werden können. Die heute verwendeten Wärmepumpen sind FCKW- und HFCKW-frei und ermöglichen Jahresarbeitszahlen von ca. 4.
1. Einleitung
Die Firma Hautec ist ein Handelsunternehmen in den Branchen Sanitär Heizung Klima und Elektro, das 1980 gegründet wurde. Heute liegt der Schwerpunkt der Aktivitäten in Entwicklung und Vertrieb von Wärmepumpen. Unsere Aktivitäten im Bereich der Wärmepumpeninstallation begannen bereits im Jahr 1978 mit der Firma Wiegersma GmbH. Seit dieser Zeit wurden ca. 900 Wärmepumpenanlagen geplant und installiert. Nach vielen schlechten Erfahrungen mit der Wärmequelle Grundwasser, wurden bereits Ende der siebziger Jahre erste Anlagen mit horizontalen Erdwärmetauschern realisiert. Diese Anlagen sind größtenteils heute noch in Betrieb. In einigen wurde zwischenzeitlich lediglich die Wärmepumpe erneuert.
Im Jahre 1984 wurde von uns die erste Wärmepumpenanlage mit Erdwärmesonden in Betrieb genommen. Auch diese Anlage ist heute noch in Betrieb. Die Erdsonden, welche zu dieser Zeit noch mit abenteuerlichen Methoden gefertigt wurden, sind bis heute dicht und erfüllen ihre Aufgabe. Seit dieser Zeit wurde die Erdwärmesondentechnik von uns in bezug auf Dimensionierung, Materialien, Fertigung und Qualitätssicherung ständig weiterentwickelt. Sie nimmt heute mit 85% den wichtigsten Platz in der Auswahl der Wärmequelle ein.
Auch Wärmepumpen haben sich in den letzten zwei Jahrzehnten grundlegend geändert. Nachdem in den siebziger Jahren überwiegend Wasser-Wasser-Wärmepumpen mit aus der Kältetechnik stammenden, nicht für den Wärmepumpenbetrieb optimierten Anlagenteilen zum Einsatz kamen, sind heute alle Komponenten optimal aufeinander abgestimmt und nach den Kriterien möglichst langer Lebensdauer und hoher Leistungszahlen ausgewählt. Die Leistungszahlen haben sich in den letzten Jahren ständig verbessert, so daß heute für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe eine Leistungszahl von ca. 4 dem Stand der Technik entspricht.
2. Planung und Errichtung
2.1 Wärmequelle
Vor allen Überlegungen im Zusammenhang mit der Planung einer Wärmepumpenheizungsanlage steht die Wahl der richtigen Wärmequelle.
Bild 1: Schema einer Grundwasser-Wärmepumpenheizungsanlage.
2.1.1 Grundwasser
Grundwasser ist für den Wärmepumpeneinsatz vom Temperaturniveau her eine ideale Wärmequelle, da die Temperatur ganzjährig mit etwa 10°C recht hoch ist (Bild 1). Sie scheidet aber meist wegen technischer Probleme aus.
Ist in dem Gebiet des Wärmepumpeneinsatzes Grundwasser in nicht zu großer Tiefe (wenige Meter) vorhanden, muß zunächst geprüft werden, ob die Wasserqualität für den Wärmepumpeneinsatz geeignet ist. Hierzu ist in der Regel eine Probebohrung notwendig, da eine Wasseranalyse aus benachbarten Brunnen oft nicht mit den Wasserverhältnissen auf dem Grundstück übereinstimmt. Ist die Wasserqualität ausreichend und die Förderleistung des Brunnens sichergestellt, kann eine Anlage mit Grundwasser in Betracht gezogen werden.
Für den Betrieb ist jedoch eine wasserrechtliche Erlaubnis notwendig, die von vielen Unteren Wasserbehörden heute nur noch mit vielen Auflagen oder überhaupt nicht mehr erteilt werden. Da die Vorbereitungen oft bereits erhebliche Kosten verursachen, ohne daß mit Sicherheit auf diese Wärmequelle zurückgegriffen werden kann, scheidet diese Wärmequelle im privaten Eigenheimbau bereits im Vorfeld aus.
2.1.2 Erdwärme
Ähnlich wie Grundwasser ist das Erdreich in der Lage, Sonnenwärme (der Anteil der geothermischen Wärme ist in den genutzten Tiefen von bis zu 50 m vernachlässigbar) über einen längeren Zeitraum zu speichern. Die Temperatur ist in einer Tiefe von ca. 1,5 m auch bei längeren Frostperioden noch hoch genug, um einen Wärmepumpenbetrieb mit hohen Jahresarbeitszahlen sicherzustellen. In der Regel werden zur Wärmeübertragung Solesysteme verwendet, die als geschlossene Kreisläufe betriebssicher mit einem Gemisch aus Wasser und Glykol betrieben werden.
Bild 2: Schema einer Erdreich-Wärmepumpenheizungsanlage.
2.1.2.1 Horizontale Erdreichwärmetauscher
Diese Art der Wärmequellenerschließung wurde schon frühzeitig ab Anfang der siebziger Jahre eingesetzt (Bild 2). Sie zeichnet sich bei richtiger Dimensionierung durch höchste Betriebssicherheit und vertretbare Jahresarbeitszahlen aus.
Über die richtige Verlegetiefe wurden in der Vergangenheit bereits sehr viele unterschiedliche Aussagen gemacht. Bei unseren Anlagen hat sich eine Verlegetiefe von 1,2 bis 1,5 m am besten bewährt. Damit sinken die Soletemperaturen im Winter zwar auf Werte bis zu -5°C ab, steigen aber frühzeitig durch schnellere Regeneration im Frühjahr wieder an, so daß die erreichten Jahresarbeitszahlen mit denen größerer Verlegetiefen vergleichbar oder sogar höher sind. In der Vergangenheit stieß diese Art der Wärmequellenerschließung jedoch wegen der hohen Wärmebedarfswerte der Häuser und dem daraus resultierenden großen Flächenbedarf vor allem in Ballungsgebieten häufig an Grenzen. Heute hat sich dieses Problem durch die neue Wärmeschutzverordnung weitgehend entspannt. Eine Dimensionierung der Wärmetauscherfläche muß immer anhand der Bodenbeschaffenheit vorgenommen werden. Die möglichen Entzugsleistungen liegen zwischen 20 und 40 W/m2.
Bild 3: Schema einer Erdwärmesonden-Wärmepumpenheizungsanlage.
Unterschiedliche Auffassungen gibt es auch über die Art der Verlegung und den Verlegeabstand. Wir haben die besten Erfahrungen mit einer möglichst dichten Verlegung, 25 bis 40 cm Rohrabstand, auf einer abgeschobenen Fläche gemacht.
2.1.2.2 Erdwärmesonden
Vor allem wegen des hohen Flächenbedarfs bei der horizontalen Verlegung wurde zu Beginn der 80er Jahre eine alternative Methode der Wärmequellenerschließung überlegt. Erdwärmesonden werden von unserer Firma je nach Bodenverhältnissen und Gebäudewärmebedarf mit einer Tiefe von 20 bis 60 m realisiert (Bild 3). Die Dimensionierung richtet sich nach den geologischen Verhältnissen. Bei nicht wasserführenden Böden wird von einer Entzugsleistung von ca. 50 W/m ausgegangen. In wassergesättigten Böden bzw. in stark grundwasserführenden Böden kann die Entzugsleistung auf 80 bis 100 W/m bzw. bei besonders günstigen Bedingungen auch bis zu 120 W/m gesteigert werden.
Die geologischen Verhältnisse am Ort des Bauvorhabens werden, wenn nicht bereits bekannt, bei den geologischen Landesämtern, z.B. für NRW in Krefeld, erfragt. Dort kann in den meisten Fällen Auskunft erteilt werden. Ist dies nicht möglich, wird erst während der ersten Bohrung die Tiefe und Anzahl der Erdwärmesonden festgelegt. Diese Vorgehensweise erfordert allerdings eine optimale Zusammenarbeit mit dem Bohrunternehmen.
Erdwärmesonden sind in der Regel genehmigungspflichtig. Das bedeutet, daß rechtzeitig vor Beginn der Arbeiten bei der zuständigen Unteren Wasserbehörde eine wasserrechtliche Erlaubnis beantragt werden muß. Hierzu sind nach vorheriger Abstimmung mit der Behörde entsprechende Antragsunterlagen zu erstellen und einzureichen. In einigen Gebieten wird außerhalb von Wasserschutzgebieten auf die Antragstellung verzichtet. Hier müssen die Anlagen lediglich der Behörde angezeigt werden.
Bild 4: Schema einer Umgebungsluft-Wärmepumpenheizungsanlage.
Die Sonderbohrungen werden je nach Untergrund mit verschiedenen Bohrtechniken durchgeführt. Als Sonden werden heute nur noch Doppel-U-Sonden aus PE verwendet. Diese haben sich in bezug auf Wärmeübertragungseigenschaften, Handhabung beim Einbau und Korrosionsbeständigkeit am besten bewährt. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß bei der Fertigung der Sonden höchste Sorgfalt geboten ist und jede fertige Sonde einem Prüfdruck von 12 bar und einer Messung des Druckverlustes unterzogen werden muß. Nach dem Einbau der Sonde in das Bohrloch wird nochmals eine Druckprobe mit dem zweifachen Nenndruck der Anlage vorgenommen, um sicherzustellen, daß keine Leckagen durch Beschädigungen beim Einbau entstanden sind. Im Normalfall werden die Sonden auf einen Verteiler, der in einem Schacht außerhalb des Gebäudes untergebracht ist, zusammengeführt.
2.1.3 Außenluft
Die Außenluft als Wärmequelle wurde in der Vergangenheit als nennenswerter Anteil nur in bivalent betriebenen Wärmepumpenanlagen genutzt. Diese Zuordnung hat im wesentlichen auch heute noch Gültigkeit. Auch wenn heute Weiterentwicklungen von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Leistungsregelungen angeboten werden, die auch monovalent betrieben werden können (Bild 4), ist das Betriebsergebnis wegen der sehr hohen Temperaturdifferenzen in der kältesten Zeit des Jahres nicht annähernd mit dem einer erdgekoppelten Wärmepumpe vergleichbar.
Zweifellos hat Luft den Vorteil, daß sie überall verfügbar ist und dadurch die Kosten für die Wärmequellenerschließung relativ niedrig sind. Dafür ist die Gerätekonstruktion im Vergleich zu einer Sole-Wasser- bzw. Wasser-Wasser-Wärmepumpe relativ aufwendig, so daß vielfach mit den höheren Gerätekosten der Kostenvorteil bei der Wärmequellenerschließung kompensiert wird. Wir bieten Luft-Wasser-Wärmepumpen vorwiegend für den bivalenten Einsatz an, betrachten dies jedoch zur Zeit nur als eine Art Nischengeschäft, da bei zur Zeit sehr niedrigen Energiepreisen eine Nachrüstung in einem bestehenden Gebäude meist aus wirtschaftlichen Gründen ausscheidet.
Eine Sonderform der Nutzung der Wärmequelle Luft mit direkten Strahlungsanteilen ist in der Absorbertechnik verfügbar. Unser Unternehmen bietet (natürlich auch nur für den bivalenten Einsatz) einen Energiekegel an, der in Verbindung mit normalen Sole-Wasser-Wärmepumpen betrieben wird. Andere Absorbertypen werden z.B. als Massivabsorber angeboten. Hier werden Betonbauteile, die mit Außenluft in Berührung kommen, mit Solerohren bestückt, die die Wärme aus der Umgebung aufnehmen.
Alle Anlagen, die Luft - in welcher Form auch immer - als Wärmequelle nutzen, haben einen gemeinsamen Nachteil. Die erreichbaren Jahresarbeitszahlen sind deutlich niedriger als bei erdgekoppelten Systemen.
2.2 Auswahl der Wärmepumpe
2.2.1 Dimensionierung
Die Dimensionierung der Wärmepumpenanlagen erfolgt wie bei konventionellen nach einer Heizlastberechnung entsprechend der DIN 4701. Abschaltzeiten von EVU müssen bei der Dimensionierung grundsätzlich berücksichtigt werden. Unsere Erfahrung zeigt allerdings, daß etwas zu klein dimensionierte Anlagen meist bessere Betriebsergebnisse vorweisen können und daß die Wärmebedarfsdeckung trotzdem sichergestellt ist. Eine Dimensionierung unterhalb von dem Ergebnis der Heizlastberechnung sollte immer nur nach schriftlicher Abstimmung mit dem Kunden erfolgen.
Bild 5: Schema einer Entlüftung des Wärmepumpengehäuses.
Eine weitere Möglichkeit zu einer kleineren Dimensionierung zu kommen, ist die Ergänzungsheizung in Form eines Rohrdurchlauferhitzers, der nur nach Abstimmung mit dem örtlichen EVU eingesetzt werden darf. Unsere Erfahrungen aus dem Winter 95/96 zeigen allerdings, daß diese Geräte auch bei knapper Dimensionierung nicht benötigt wurden. In den meisten Anlagen haben sie bis heute 0 Betriebsstunden. Ein spezieller witterungsgeführter Regler sorgt dafür, daß die Leistungsstufe II nur dann auch geschaltet wird, wenn diese auch tatsächlich unverzichtbar ist.
2.2.2 Kältemittel
Das Kältemittel R22 ist gemäß der Halon-Verbotsverordnung noch bis zum 31.12.1999 zugelassen. In den Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien vom Bundesministerium für Wirtschaft wird allerdings die Verwendung von HFCKW Kältemitteln untersagt. Auch bei Förderprogrammen der EVU tauchen ähnliche Anforderungen zunehmend auf. Aus diesem Grunde ist die Verwendung von HFCKW-freien Wärmepumpen anzuraten, um die Förderwürdigkeit der Anlagen zu erhalten. Als Ersatzstoffe haben sich Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Propen in etlichen Versuchsanlagen, welche von Beginn an von unserem Unternehmen betreut wurden, bereits bewährt. Vor allem die z.B. mit Propan höhere Leistungszahl der Wärmepumpe bringt zusätzliche Vorteile. Bei der Installation dieser Anlagen empfiehlt es sich, den DIN-Entwurf 7003 "Wärmepumpen und Kälteanlagen mit brennbaren Kältemitteln" unbedingt zu beachten. In den meisten Fällen wird von uns eine Entlüftung des Wärmepumpengehäuses vorgesehen (Bild 5).
2.3 Wärmeverteilsystem
2.3.1 Wahl des richtigen Wärmeverteilsystems
Die Leistungszahl einer Wärmepumpe wird im entscheidenden Maße durch die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmeverteilsystem bestimmt. Aus diesem Grunde ist eine Niedertemperaturheizung zwingend notwendig. Besonders bewährt haben sich in der Vergangenheit Warmwasserfußbodenheizungen mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 35°C.
Durch die verschärften Wärmedämmanforderungen aus der Wärmeschutzverordnung 1995 ist eine Fußbodenheizung mit einer Maximaltemperatur von 35°C ohne großen Mehraufwand zu erstellen. Es muß sich allerdings um naß eingebettete Systeme handeln, da nur so eine optimale Wärmeübertragung auf den Estrich gewährleistet ist.
Eine Wärmeverteilung über Radiatoren oder Konvektoren ist ebenfalls möglich, jedoch meist kostenintensiv, da eine maximale Vorlauftemperatur von 40°C im Hinblick auf die zu bestätigende Jahresarbeitszahl von > 3,2 unbedingt eingehalten werden muß.
2.3.2 Pufferspeicher
Pufferspeicher dienen in der Regel dazu, eine bestimmte Wärmemenge aufzunehmen, um diese zu einem späteren Zeitpunkt wieder an das Wärmeverteilsystem abzugeben. Es ist immer in dem Fall notwendig, wenn ein Wärmeerzeuger in kurzer Zeit sehr viel mehr Wärme erzeugt als das Wärmeverteilsystem aufnehmen kann. Ist das Wärmeverteilsystem von Haus aus in der Lage, mehr Wärme in sich aufzunehmen als im Moment der Erzeugung benötigt wird, kann auf einen Pufferspeicher verzichtet werden. Diese würde in solchen Anlagen unter Umständen mehr schaden als nutzen, da auch ein Pufferspeicher nicht ohne Verluste arbeitet. Vor allem im Zusammenhang mit Wärmepumpen, wo jedes Kelvin Temperaturdifferenz das Betriebsergebnis beeinflußt, würde die zur Aufladung benötigte etwas höhere Vorlauftemperatur negativen Einfluß auf die Jahresarbeitszahl nehmen.
Da eine Fußbodenheizung selbst bereits die Eigenschaften eines Puffers besitzt, sollte nicht noch ein weiterer Pufferspeicher zum Einsatz kommen. Es ist lediglich durch geeignete Maßnahmen in der Heizungsanlage bzw. dem Wärmepumpenregler die Mindestlaufzeit und der Mindestwasser-Volumenstrom sicherzustellen.
Abschaltzeiten von EVU von in der Regel bis zu 2 Stunden können ebenfalls durch die Speicherfähigkeit der Fußbodenheizung überbrückt werden.
2.4 Wärmepumpenregler
Der von uns verwendete Wärmepumpenregler ist über eine Raumstation selbst optimiert. Dadurch kann in einem Einfamilienhaus in diesem Raum auf eine zusätzliche Einzelraumregelung verzichtet werden. Somit sind bei einem ausreichend dimensionierten Verflüssiger und unserem Wärmepumpenregler die Nennumlaufmengen bis auf ca. 1/3 reduzierbar. Der Regler sorgt für die Mindestlauf- und Standzeit und hält Laufstunden sowie Taktverhalten fest.
3. Betriebserfahrungen
3.1 Häufigkeit von Störungen und deren Ursachen
Sole-Heizungswärmepumpen zeichnen sich durch ihre hohe Betriebssicherheit aus. Bereinigt man die Störungsstatistik einmal von den nicht kälte- und solekreisbedingten Störungen, so ist festzustellen, daß die Störhäufigkeit auf dem Kältekreis bei ca. 2% liegt. Störungen im Solekreis sind entweder auf defekte Solepumpen oder zu geringen Frostschutz zurückzuführen und liegen bei ca. 3%.
Bild 6: Betriebsergebnisse von vier gemessenen Wärmepumpenanlagen der Firma Hautec.
Ein Defekt der Erdsonden (von Fremdeinwirkung abgesehen) liegt im o/oo-Bereich. Man kann also mit Recht behaupten, daß diese Technik als sicher gilt. Ein Komplettausfall der Wärmequelle Erdsonden ist bei uns bis heute nicht vorgekommen.
3.2 Wartungsarbeiten
Moderne Sole-Wasser-Wärmepumpen sind hermetisch geschlossene Anlagen und erfordern am Kältekreis keine Wartung. Eine Inspektion empfiehlt sich lediglich für die Anlagen mit brennbaren Kältemitteln zur Überprüfung der Sicherheitseinrichtung. Auch der Solekreis sollte einer regelmäßigen Wartung im Abstand von 2 bis 3 Jahren unterzogen werden, um die Frostsicherheit zu überprüfen und die von den meisten Unteren Wasserbehörden geforderte Druckprobe vorzunehmen.
3.3 Betriebsergebnisse
Seit 1993 werden im Rahmen der EVU-Förderprogrammen in Form von Stichproben Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpenanlagen gemessen. Soweit von uns geplante bzw. errichtete Anlagen von dieser Messung betroffen waren, habe ich die Ergebnisse in der Grafik Bild 6 zusammengefaßt. Es ist deutlich erkennbar, daß alle gemessenen Anlagen die Anforderung einer Mindestjahresarbeitszahl von 3,2 deutlich übertreffen. Die älteren Anlagen aus dieser Meßreihe sind bereits mehr als 2 Jahre in Betrieb. Es kamen dann von Zeit zu Zeit weitere Anlagen hinzu. Die Arbeitszahlen vom jeweiligen Beginn der Messung bis Ende April 1996 liegen zwischen 3,7 bei der schlechtesten bis zu 4,1 bei der besten Anlage. Es muß nochmals erwähnt werden, daß diese Anlagen willkürlich ausgewählt und nicht nach bestimmten Kriterien ausgesucht werden. Das Ergebnis läßt den Schluß zu, daß Wärmepumpenheizungsanlagen bei richtiger Planung und Installation Jahresarbeitszahlen von 4 ohne große Mühe erreichen können.
Erstveröffentlichung in: VDI-Berichte, Nr. 1236/1996.
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